工程化学基础1课件

1、工程化学基础11工程化学基础工程化学基础12第1章，绪 论一、对化学学科进行简单的介绍二、本课程的介绍三、一些基本概念工程化学基础131. 化学研究的对象和内容 对象：实物（具有静止质量的物质），化学是在原子、分子层次上研究物质的组成、结构、性质及其变化规律的一门科学。 一，化学一，化学宇宙天体（包括地球）宇宙天体（包括地球）单质和化合物单质和化合物原子、分子和离子原子、分子和离子电子、质子、中子、光子等基本粒子电子、质子、中子、光子等基本粒子工程化学基础14粗略地分为五大分支学科（即化学的二级学科）。它们分别是：(1)无机化学：主要研究无机物的组成、结构、性质和无机化学反应与过程；(2)有机

2、化学：主要研究碳氢化合物及其衍生物的化学，也有人称之为“碳的化学”；(3)高分子化学：主要研究高分子化合物的结构、性能与反应、合成方法、加工成型及应用的化学。(4)分析化学：主要是测量和表征物质的组成和结构。(5)物理化学：主要研究所有物质系统的化学行为的原理、规律和方法。 2. 化学的学科体系工程化学基础15 随着各门学科的全面繁荣，化学与其它学科之间的交叉与渗透的也在不断加大、深入，同时萌发出许多新的学科，例如：药物化学、地球化学、环境化学、生物化学、材料化学等。众多新兴学科的涌现，极大地丰富了化学科学的研究内容，拓展了化学研究的空间；同时新兴学科的发展和进步也离不开化学这个基础，没有化学

3、的进步，就不可能有相关新兴学科的发展和进步。3. 由化学萌发出的新兴学科工程化学基础16 化学的发展、兴盛也离不开其它学科的发展和技术进步。元素周期律的发现，卢瑟福的原子结构模型以及薛定谔方程的建立等等，为化学的发展翻开了崭新的一页，计算机、微电子、激光等技术的进步为化学工作者探究物质奥秘、进行分子设计和合成提供了更有力的技术支持，化学也因此获得了前所未有的发展。 4. 化学与其他学科之间的关系工程化学基础17 化学的主要任务是创造新物质，以满足人类对物质的需求。表：新分子和新材料的飞速增长年份已知化合物的数目190055万种1945110万种，大约45年翻一倍197023. 7万种，大约25

4、年翻一倍1975414. 8万种1980593万种，大约10年翻一倍1985785万种19901 057. 6万种，大约10年翻一倍1999超过 2 000 万种5. 化学的主要任务工程化学基础18任何自然科学的最终目标都是要为人类造福，使人类生活的更美好。(1)，保证人类的生存 (衣、食)(2)，提高人类的生活质量(住、行)(3)，延长人类的寿命(药物开发)6. 研究目的工程化学基础19(1)、水污染(汞、镉等)(2)、大气污染(so2、co2等)(3)、提出绿色化学概念7. 化学带来的环境问题工程化学基础110二，本课程的介绍化学研究类化学品生产类非化学研究非化学品生产类大学本科化学教学的

5、分类工程化学基础111 工程化学基础及其系列教材特意专门为上述工程类学生设计和开设。它以化学原理为经线，以化学在材料、信息、能源、环境、生命诸领域中的应用为纬线编织而成。1、工程化学基础的编写特点工程化学基础112通过学习，首先使工程类学生理解以下三个方面内容：物质都是由原子组成的物质都是由原子组成的物质的性质首先来自于组成物质的不同元素原子的种类、形物质的性质首先来自于组成物质的不同元素原子的种类、形态和数目，同时来自于物质的结构，取决于原子在空间的排布态和数目，同时来自于物质的结构，取决于原子在空间的排布和相互间的作用和相互间的作用不同性质的物质通过不同方式组合、化合以及复合，形成形不同性

6、质的物质通过不同方式组合、化合以及复合，形成形态各异、功能各异的众多物质，它们彼此相互依存、相互取长态各异、功能各异的众多物质，它们彼此相互依存、相互取长补短，形成了一个五彩缤纷的物质世界。补短，形成了一个五彩缤纷的物质世界。2. 学习工程化学基础的目的工程化学基础113 其次，通过学习，使工程类学生在碰到相关的化学问题时有较好的理解能力，并能达到“简单的问题自己解决，复杂的问题知道找谁解决”。 工程化学基础114 平时占20% (出席情况、作业完成情况等) 考试占80%3、考试方式4、课程安排第一章；第三章；第二章；第四章；第五章；第六章工程化学基础1151. 物质是分层次的三三 、基本概念

7、、基本概念 宇宙天体（包括地球）宇宙天体（包括地球）单质和化合物单质和化合物原子、分子和离子原子、分子和离子电子、质子、中子、光子等基本粒子电子、质子、中子、光子等基本粒子工程化学基础116表1. 1 有关物质层次的一些情况 层次典型尺寸/m过渡尺寸/m 实 例理 论胀观1040？ 31030 宇观1021银河系广义相对论31011太阳系宏观102篮球场牛顿力学310-10原子，分子 微观1017基本粒子 量子力学310-27渺观1036超弦（？原子、分子为介观粒子（尺寸约原子、分子为介观粒子（尺寸约1010m 107m）电子、光子为微观粒子电子、光子为微观粒子工程化学基础1172. 系统和环

8、境 为研究的方便，我们把某一部分作为研究的对象，并将它与其周围的物质区分开来，这部分研究对象就称为系统系统。系统以外与之直接联系的部分，称为环境环境。 工程化学基础118有物质和能量交换开放系统只有能量交换封闭系统无物质和能量交换隔离系统三种热力学系统 系统和环境是一个整体的两个部分，根据它们之间有无质量（习惯上说有无物质，因原子及结合态物质有静质量）交换和能量传递，可将系统分为下述三类： 工程化学基础1193，聚集状态和相 物质在一定的温度和压力条件下所处的相对稳定的状态，称物质的聚集状态聚集状态，简称物态。(气、液、固 ) 相相则被定义为：系统中任何化学组成均匀，物理和化学性质都相同的，且

9、可用机械方法分离出来的部分。相与相之间存在明显的界面。气态物质：单相液态物质：单相或多相固态物质：不同种类为多相；同一种类为一相 工程化学基础120水、乙醇水、乙醇氯化钠溶液氯化钠溶液水、四氯化碳水、四氯化碳硝酸银、碘化钾硝酸银、碘化钾习题习题4工程化学基础1214，质量守恒和能量变化 一般的化学反应方程式可表示为aa + bb yy + zz或0 = aa bb + yy + zz常用化学反应计量方程表示化学反应中质量守恒关系， 通式：b0bb式中 为加和号，b为相应指定物化学式 b 的计量数，b为相应指定物的化学式， 工程化学基础122反应通式表述了化学反应的两个特征：(1) 质量守恒(2

10、) 能量变化工程化学基础1235，物质的量 物质的量的符号记为 n，单位为摩尔摩尔(mol)。n与阿佛加德罗常数 na 和粒子数 n 的关系是 n = n / na，其中 na = 6. 0221361023 mol1。我们还知道某物质的摩尔质量（符号为m）是该物质的质量（符号为m）与该物质的物质的量（n）之比：m = m/n，它的单位为 kgmol1（千克/摩尔，读作千克每摩尔）。注意注意使用摩尔时，必须指明基本单元使用摩尔时，必须指明基本单元工程化学基础1246，反应进度 nb 为物质 b 的物质的量。bbb1bvdndnd定义：一般定义为：bbb)0()(nn反应进度为 1 mol 简称

11、摩尔反应。 根据反应进度的定义，它只与化学反应的方程式有关，而与选择反应系统中何种物质来表述无关。例如合成氨反应：工程化学基础125反应前物质的量 n1/mol 10 30 0反应某时刻物质的量 n2/mol 8 24 4则反应进度为：mol 2) 1(mol )108()n()n()n(22122nn或mol 2)3(mol )3024()h()h()h(22122nnmol 22mol )04()nh()nh()nh(33132nn322nh)g(h23)g(n21mol 4n2(g) + 3h2(g)2nh3(g)例工程化学基础126小结1、原子、分子为介观粒子（尺寸约、原子、分子为介观

12、粒子（尺寸约1010m 107m） 电子、光子为微观粒子电子、光子为微观粒子2、系统的分类、系统的分类3、聚集态及相的区分、聚集态及相的区分4、化学反应通式的表示、化学反应通式的表示5、摩尔及摩尔质量的概念（注意、摩尔及摩尔质量的概念（注意使用摩尔时，必须指明基本单元使用摩尔时，必须指明基本单元）6、反应进度的相关计算、反应进度的相关计算工程化学基础127作业：练习题1、2、3、4、7、9工程化学基础128第三章第三章 物质的结构和材料的性质物质的结构和材料的性质工程化学基础工程化学基础129主要内容 物质的性质不仅与组成有关，而且还和结构有关。物质的结构是分层次的，化学不讨论宏观物质组件的结

13、构，而是讨论原子、离子及其结合态等介观微粒在空间如何排布，它们之间又以什么样的作用力相结合等问题。 本章主要介绍与原子、离子及其结合态相关的结构知识，领悟其思维方式，体会宏观物体、介观微粒与微观粒子运动规律的本质区别；进一步理解金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料的性能、测试方法和应用工程化学基础1303. 1 核外电子运动状态核外电子运动状态3. 2 元素周期律，金属材料元素周期律，金属材料 3. 3 化学键、分子间力、高分子材料化学键、分子间力、高分子材料3. 4 晶体缺陷、陶瓷和复合材料晶体缺陷、陶瓷和复合材料目目 录录工程化学基础1313. 1 核外电子的运动状态核外电子的运动状态

14、1，了解量子力学的创立，理解波粒二象性，认识理论的相对性。2，了解波函数表达的意义，理解原子轨道、电子云的真实含义。3，了解四个量子数的符号和表达的意义。4，了解原子光谱分析法的原理和应用。学习要求学习要求工程化学基础132基本粒子的发现汤姆逊(1906获诺贝尔物理学奖)；发现了第一个基本粒子电子(8个学生获得诺贝尔奖）卢瑟福(1908年获诺贝尔化学奖)；发现了质子查得威克(1935年获得诺贝尔物理学奖)发现了中子剑桥大学的卡文迪什实验室：麦克斯韦、瑞利、汤姆逊(28)、卢瑟福工程化学基础133一，波粒二象性与量子力学的创立牛顿、惠更斯；爱因斯坦、德布罗意干涉、衍射证明光的波动性光电效应证明光

15、的粒子性电子等微观粒子具有波粒二相性工程化学基础134工程化学基础135电子衍射示意图晶体粉末电子束狭缝图3- 电子衍射仪工程化学基础136 波粒二象性（波粒二象性（dual wave-particle nature) 1924年，德布罗依(l.de broglie,18921987) 提出实物微粒也具有波粒二象性，其波长可用下式求得：l h / (mu) 粒子的波粒二象性用电子衍射实验得到了证实工程化学基础137测不准原理测不准原理海森堡提出海森堡提出：电子等微观粒子由于运动速度极快，质量很小，不能同时准确测定它的动量动量和位置位置 ph/2工程化学基础138测不准原理表明，微粒（电子）不可

16、能沿一条固定轨道运动，其运动规律只能用统计的方法指出它在核外某区域出现的可能性（概率）的大小来描述。工程化学基础139 波函数与原子轨道波函数薛定锷方程(e. schrodinger)（了解）+ a ax2a az2a ay2+ +8mh2(e- v) = 0e是体系的总能量，v是体系的势能，m是微粒的质量转换为球极坐标为：y (r,q,f) = r(r)y(q,f)r(r)为波函数的径向部分，y(q,f)为波函数的角度部分工程化学基础140薛定谔方程描述微粒的运动薛定谔方程描述微粒的运动对于一个质量为对于一个质量为m，在势能为，在势能为v的势场的势场中运动的微粒来说，薛定谔方程的中运动的微粒

17、来说，薛定谔方程的每一个合理的解每一个合理的解，就表示该微粒运，就表示该微粒运动的某一定态，与该解动的某一定态，与该解相对应的能相对应的能量值即为该定态所对应的能级。量值即为该定态所对应的能级。工程化学基础141原子轨道就是波函数n = 1 l = 0 m = 0 100(x,y,z) 1s 1s 原子轨道原子轨道n = 2 l = 0 m = 0 200(x,y,z) 2s 2s 原子轨道原子轨道n = 2 l = 1 m = 0 210(x,y,z) 2p 2p 原子轨道原子轨道n = 3 l = 2 m = 0 320(x,y,z) 3d 3d 原子轨道原子轨道工程化学基础142+xyz

18、xyz+-xyz-+xyz-+xyz-+xyz-+xyz-+xyz-+xyz+-图3-4 原子轨道的角度分布图s轨道d轨道p轨道工程化学基础143概率密度与电子云| |2 却有明确的物理意义，却有明确的物理意义，代表微粒代表微粒在空间某点出现的概率密度。在空间某点出现的概率密度。概率密度概率密度的形象表述就是的形象表述就是电子云电子云工程化学基础144电子云角度分布图两着之间的主要区别：两着之间的主要区别：1、电子云的角度分布图比、电子云的角度分布图比原子轨道的角度分布图要原子轨道的角度分布图要“瘦瘦”些。些。2、原子轨道的角度分布图、原子轨道的角度分布图有正负之分，而电子云的角有正负之分，而

19、电子云的角度分布图全部为正。度分布图全部为正。工程化学基础145电子云是电子在空间运行的统计结果 工程化学基础146四个量子数 主量子数主量子数(n) 主量子数是描述电子层能量的高低次序和主量子数是描述电子层能量的高低次序和电子云离核远近的参数。电子云离核远近的参数。取值取值 n = 1, 2, 3, , n工程化学基础147n 123456 7电子层电子层klmnopqn值越小，表示电子离核越近，能量越低。值越小，表示电子离核越近，能量越低。工程化学基础148角量子数角量子数 (l)角量子数用来描述原子轨道（或电子云）形状或者说描述电子所处的亚层 。与多电子原子中电子的能量有关。l0 1 2

20、 3 4光谱符号光谱符号s p d f g电子云形状电子云形状 球形球形 哑铃形哑铃形 花瓣形花瓣形 复杂复杂多电子原子中电子的能量取决于主量子数多电子原子中电子的能量取决于主量子数(n)和角量子数和角量子数(l)一般而言，一般而言，n 相同，相同，l 越大，电子的能量越高越大，电子的能量越高 ensenpendenfn 和和 l 相同的电子具有相同的能量，构成一个能级相同的电子具有相同的能量，构成一个能级。如：如： 2s 3p 4d工程化学基础149磁量子数磁量子数磁量子数用来描述原子轨道（或电子云）在空磁量子数用来描述原子轨道（或电子云）在空间的伸展方向间的伸展方向磁量子数的磁量子数的取值

21、：取值：m = 0, 1, 2, 3, , l磁量子数磁量子数(m)与电子的能量无关与电子的能量无关一组一组 n, l, m 确定的电子运动状态称为原子轨道确定的电子运动状态称为原子轨道例如：例如：l = 0，m = 0 一个伸展方向一个伸展方向 一个一个 s 轨道轨道 l = 1, m = 0, 1 三个伸展方向三个伸展方向 三个三个 p 轨道轨道 l = 2, m = 0, 1, 2 五个伸展方向五个伸展方向 五个五个 d 轨道轨道工程化学基础150自旋量子数自旋量子数 (ms)自旋量子数用来描述电子自旋运动的自旋量子数用来描述电子自旋运动的自旋量子数的取值自旋量子数的取值: m = 1/

22、2小结：小结：n 电子层电子层n, l 能级能级n, l, m 原子轨道原子轨道n, l, m, ms 核外电子的运动状态核外电子的运动状态,四者如果缺一四者如果缺一, 就不能完全说明某一个电子的运动状态就不能完全说明某一个电子的运动状态.工程化学基础151原子轨道与三个量子数的关系原子轨道与三个量子数的关系nlm 轨道名称轨道数轨道总数1001s112002s1421-1,0,+12p33003s1931-1,0,+13p332-2,-1,0,+1,+23d54004s11641-1,0,+14p342-2,-1,0,+1,+24d543-3,-2,-1,0,+1,+2,+34f7工程化学基

23、础152 处于低能量轨道的电子，如果接受外界提供的适当大小的能量，就会跃迁到高能量的轨道上；反过来，处于高能量轨道上的电子也可以跃迁返回到低能量轨道上，同时向外释放出能量。两者都叫能级跃迁能级跃迁。 图3-7 能级跃迁示意图 释放能量 吸收能量 能级跃迁四、能级跃迁和原子光谱分析工程化学基础153n = 4e4能级跃迁氢原子光谱中各线系谱线产生示意图n = 1e1n = 2e2n = 3e3n = e = 0赖曼线系巴尔麦线系帕邢线系布喇干线系工程化学基础154 电子发生跃迁时不论是吸收还是释放的能量，都是以电磁波的形式出现的，若以 v 代表吸收或释放的电磁波频率，代表不同能级间的能量差，则可

24、求得： = hv hc 或 式中 h 为普朗克常数，它的数值是 6. 626081034 js1 ；c 为光速，它的数值是 2. 997925108 ms1 ；为波长。 工程化学基础155例3.1 氢原子光谱中，一条谱线的波长= 656. 5 nm，试求它的频率和能量。 解：据vc 的关系，则频率 114918s 10566 . 4m 105 656.sm 10997925 . 2-v= hv = 6. 626081034 4. 5661014 = 3. 0251020 j 据工程化学基础156原子发射光谱法 若对样品加热，处于基态的原子就吸收外界能量，原子核外低能级的电子可跃迁到高能级上，成为激发态的原子。但是，激发态原子是不稳定的，电子在很短的时间内就返回低能级状态，同时原子以电磁波的形式向外发射电磁波。分析原子发射光谱的特征频率及强度，可以帮助我们判别样品中元素的种类（即元素的定性分析）和含量（定量分析）。原子发射光谱又分为摄谱法和光电计数法。 工程化学基础157图3-7 原子发射光谱示意图电弧或火花电极分光系统检测系统感光板映谱仪测微光度计摄谱法光电倍增管积分电容读数系统光电法工程化学基础158澳大利亚(美国瓦里安技术中国有限公司)1.波长范